ITER軟X射線檢測(cè)系統(tǒng)及其電磁兼容設(shè)計(jì)

張勝1,2 趙金龍1 胡立群1 陳曄斌1 盛秀麗1

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ITER軟X射線檢測(cè)系統(tǒng)及其電磁兼容設(shè)計(jì)

張勝趙金龍胡立群陳曄斌盛秀麗

1（中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031） 2（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥 230026）

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆是世界上在建的最大的磁約束聚變裝置托克馬克裝置，通過(guò)對(duì)其中軟X射線的測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)等離子體輻射對(duì)鋸齒、色骨模等磁流體現(xiàn)象的物理研究和成像反演。軟X射線診斷系統(tǒng)就是用來(lái)檢測(cè)軟X射線的設(shè)備。由于熱核聚變時(shí)惡劣電磁環(huán)境及遠(yuǎn)距離傳輸，在設(shè)計(jì)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)必須進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，以降低系統(tǒng)噪聲、提高檢測(cè)精度。本文中使用的檢測(cè)電路采用差分結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，重點(diǎn)研究檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)及其電磁兼容設(shè)計(jì)。從電磁抗干擾的三要素出發(fā)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試，針對(duì)電磁干擾的特殊性，討論了濾波電路設(shè)計(jì)、印制電路板(Printed Circuit Board, PCB)走線、電磁屏蔽及信號(hào)接地在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。本文采用32通道板卡集成設(shè)計(jì)；信號(hào)增益提高至10V?A；放大器帶寬達(dá)到120 kHz。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出，信號(hào)噪聲降至8 mV。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了檢測(cè)電路的集成度和放大電路的增益及帶寬，同時(shí)降低了檢測(cè)電路的噪聲。

軟X射線檢測(cè)，電磁兼容，低通濾波器，PCB抗干擾

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)是由7個(gè)國(guó)家和地區(qū)（中國(guó)、歐盟、美國(guó)、俄羅斯、日本、韓國(guó)和印度）共同合作的國(guó)際項(xiàng)目，它是目前國(guó)際上在建的最大環(huán)形磁約束核聚變裝置。其目的是驗(yàn)證磁約束聚變裝置商業(yè)化的可行性。軟X射線診斷系統(tǒng)是托卡馬克裝置上必不可少的診斷系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)軟X射線的測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)等離子體輻射對(duì)鋸齒、色骨模等磁流體(Magnetic Hydrodynamics, MHD)現(xiàn)象的物理研究和成像反演。檢測(cè)軟X射線一般使用光電二極管陣列，實(shí)現(xiàn)光-電信號(hào)轉(zhuǎn)換。根據(jù)ITER檢測(cè)X射線的要求，探測(cè)器輸出的電流信號(hào)最小為nA級(jí)信號(hào)，因此放大器的設(shè)計(jì)難度很大。由于核輻射屏蔽造成探測(cè)器和放大器間的距離長(zhǎng)達(dá)15 m，前放輸出的信號(hào)到采集有20多米，信號(hào)在大距離傳輸很容易受到電磁干擾，造成畸變。

目前先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)中的軟X射線診斷系統(tǒng)放大電路參數(shù)為：增益10V?A；帶寬100 kHz；噪聲10 mV。但對(duì)于nA級(jí)信號(hào)，就很難從噪聲中提取出來(lái)；并且系統(tǒng)以核儀器插件標(biāo)準(zhǔn)(Nuclear Instrument Module, NIM)機(jī)箱為載體，每塊電路板集成9道信號(hào)檢測(cè)電路，集成度低，信號(hào)傳輸容易受到干擾，不利于系統(tǒng)電磁防護(hù)，很難滿足ITER檢測(cè)的需求。本方案設(shè)計(jì)的目的在于提高電路增益10V?A的同時(shí)提高系統(tǒng)集成度。由于ITER的電磁環(huán)境復(fù)雜，如何提高電路的抗干擾能力、降低噪音是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟X射線診斷系統(tǒng)采用PIN (Positive Intrinsic Negative)光電二極管的Centronic 5T系列探測(cè)器，該探測(cè)器由35個(gè)光電二極管組成，將接收到的X光轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，再通過(guò)屏蔽電纜送至放大電路。由于ITER要求待采樣的軟X射線能量段很低，造成探測(cè)器產(chǎn)生的電流很弱，而系統(tǒng)又處于復(fù)雜的電磁環(huán)境中，為了便于信號(hào)采集與傳輸，需將電流信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 軟X射線檢測(cè)系統(tǒng)框圖

2 電路方案

2.1 探測(cè)器性能分析

探測(cè)器的特性對(duì)小信號(hào)的檢測(cè)是很重要的。噪聲是探測(cè)器的一個(gè)重要參數(shù)，主要有兩種形式：

1)暗電流的散粒噪聲，是由于光子到達(dá)統(tǒng)計(jì)率不確定性造成的，其大小可以用式(1)表示：

式中：為均方根(Root Mean Square, RMS)噪聲電流；是電子充電；為光電二極管產(chǎn)生的電流信號(hào)；是測(cè)量噪聲的帶寬。

2) 噪音就是約翰遜噪，是光電二極管工作時(shí)由于內(nèi)阻而產(chǎn)生的熱噪音，其大小可以用式(2)表示：

2.2 偏壓對(duì)光電二極管的影響

光電二極管的偏壓對(duì)探測(cè)器本身的影響比較大，主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：1) 適當(dāng)?shù)钠珘嚎梢越档投O管的結(jié)電容，提高其響應(yīng)速度；2) 偏壓會(huì)造成二極管的暗電流增大，從而影響信號(hào)的真實(shí)性。

本設(shè)計(jì)中選用的探測(cè)器陣列是由Centronic公司的大面積的探測(cè)器。由35個(gè)光電二極管組成，其面積為12 mm×2 mm。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)探測(cè)的暗電流進(jìn)行了間接測(cè)試，測(cè)試中選用的放大器增益為10V?A，采用32路集成的放大電路，光源為Mini-X X-ray Tube。分別測(cè)試了偏壓為0 V、2 V、3V時(shí)不同通道的放大器輸出電壓，其結(jié)果如圖2所示。通過(guò)測(cè)試結(jié)果看出，不加偏壓時(shí)各通道一致性很好，但是響應(yīng)度低；加3 V偏壓時(shí)，由于暗電流增大，造成不同通道之間的檢測(cè)差異增大；加2 V偏壓時(shí)，除個(gè)別通道外其他通道的一致性變化不大，響應(yīng)速度提高。在使用前需要進(jìn)行偏壓測(cè)試，偏差比較大的通道應(yīng)避免使用，防止檢測(cè)的數(shù)據(jù)失真。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)取2 V偏壓。

圖2 不同偏壓下前放信號(hào)輸出電壓

2.3 信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

在對(duì)比電阻取樣電流放大器、跨阻型電流放大器、差分電流放大器等方案的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)采用改進(jìn)的差分電流放大器方案。其電路框圖如圖3所示。該方案克服了共陰（陽(yáng)）極探測(cè)器接法時(shí)負(fù)端信號(hào)均分弊端的同時(shí)，又能很好地抑制共模干擾。電路的增益可以通過(guò)電阻調(diào)節(jié)，對(duì)電路進(jìn)行相位補(bǔ)償，同時(shí)也能調(diào)節(jié)放大電路帶寬。

圖3 I-V差分放大電路

3 電磁兼容設(shè)計(jì)

軟X診斷在ITER環(huán)境下工作，其電磁環(huán)境復(fù)雜。因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮電路電磁防護(hù)。電磁防護(hù)主要包括兩個(gè)方面：一是電磁屏蔽；二是電路抗干擾設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要通過(guò)干擾濾波、印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)布線、屏蔽、接地等方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電磁防護(hù)設(shè)計(jì)。

3.1 濾波

3.1.1 電源電磁干擾(Electromagnetic Interference, EMI)濾波器

由于核屏蔽層造成ITER診斷系統(tǒng)放置較遠(yuǎn)，探測(cè)器供電電源由前級(jí)放大器機(jī)箱遠(yuǎn)程供給；在終端進(jìn)行直流-直流(Direct current, DC-DC)穩(wěn)壓濾波。由于電源線傳輸距離遠(yuǎn)，電磁干擾很容易傳入設(shè)備。為提高電源質(zhì)量，采用如圖4所示噪聲濾波電路。

圖4 EMI電源濾波器

圖4中和是共模扼流圈，抑制共模噪聲；和是用來(lái)抑制差模干擾的三端電容器；、、、是抑制差模干擾的鐵氧體磁珠；()和()兩個(gè)諧振頻率不同的電容并聯(lián)，一方面在降低電源網(wǎng)絡(luò)噪聲，另一方面抑制負(fù)載變化引起的電壓波動(dòng)。

濾波電路元器件的選型要綜合考慮電源噪聲的頻譜特性。共模扼流圈選的是BNX025H01，其插入損耗在50 kHz?1 GHz內(nèi)最小35 dB，能很好地抑制差模干擾。鐵氧體磁珠BLM21PG331SN1主要用來(lái)電流濾波，抑制高頻干擾。

在實(shí)驗(yàn)室中搭建了測(cè)試電路，來(lái)檢測(cè)改善后電路的性能。圖5(a)為電源在濾波前測(cè)得的噪聲的幅值及噪聲的頻譜，圖5(b)為加入電源濾波器后電源的噪聲及頻譜分布。在濾波前，電源噪聲幅值達(dá)到了50 mV，噪聲頻譜主要分布在8?16 MHz；經(jīng)過(guò)濾波器濾波使電源噪聲降到5 mV左右。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比，濾波效果還是比較顯著的。

3.1.2 信號(hào)濾波

ITER電磁環(huán)境復(fù)雜，為了降低噪聲，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。由于無(wú)源濾波器件容易受負(fù)載的影響，并且前放的輸出信號(hào)為差分信號(hào)，傳輸距離遠(yuǎn)。故采用全差分有源濾波器，電路如圖 6所示。

圖5 EMI濾波前(a)和濾波后(b)電源噪聲

圖6 全差分有源濾波器

其傳遞函數(shù)為：

(4)

(5)

式中：為濾波器通帶增益；為截止頻率；為頻率比例因子；為品質(zhì)因數(shù)。

由于本系統(tǒng)待檢測(cè)信號(hào)的頻率低于100 kHz，在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，其截止頻率設(shè)為200 kHz。通過(guò)理論計(jì)算并借助仿真軟件(Cadence)，設(shè)定濾波器的帶寬=100 kHz、=2、=0.86。為了得到電路的幅頻特性曲線，使用Cadence進(jìn)行仿真，得到了放大器輸出信號(hào)的幅頻特性曲線（圖7）。由仿真結(jié)果可以看出，放大器的帶寬為120 kHz。

圖7 放大器帶寬

圖8為放大器輸出經(jīng)濾波前后的對(duì)比測(cè)試，探測(cè)器處于密閉暗盒中，可以近似認(rèn)為放大器輸出為噪聲信號(hào)。探測(cè)器與前放用20 m長(zhǎng)的屏蔽雙絞線連接。圖8(a)為濾波前的噪聲信號(hào)及其頻譜分布，幅值約為15 mV，有很多高頻干擾；圖8(b)為濾波后的噪聲信號(hào)及其頻譜分布，幅值在8 mV左右。通過(guò)輸出信號(hào)的頻譜特性可以看出100 kHz以上噪聲明顯被抑制。

3.2 PCB電磁兼容設(shè)計(jì)

3.2.1 旁路、去耦和儲(chǔ)能

旁路電容的作用是產(chǎn)生一個(gè)交流分路，從而吸收高頻分量，降低器件的EMI分量。去耦電容主要是提供一個(gè)局部的直流電源給有源器件，以減少開(kāi)關(guān)噪聲在板上的傳播并抑制噪聲對(duì)其他芯片的干擾。去耦電容距離芯片引腳越近，其補(bǔ)充電流的環(huán)路面積就越小，則電路輻射就會(huì)很小。因此每個(gè)集成電路的電源引腳旁都需要加一個(gè)0.1 μF的去耦電容。儲(chǔ)能電容可為芯片提供所需要的電能，并且將電流變化局限在較小回路內(nèi)，從而減小輻射。在PCB布線時(shí)，應(yīng)遵循流經(jīng)、順序、就近、共地原則。

圖8 濾波前(a)和濾波后(b)信號(hào)噪聲

3.2.2 PCB抗干擾設(shè)計(jì)

在PCB設(shè)計(jì)中，使用PXI (PCI extensions for Instrumentation)機(jī)箱對(duì)放大電路進(jìn)行集成，每塊板集成32道信號(hào)，提高了系統(tǒng)的集成度。由于電路板的高度集成，器件集成密度大，為了降低電路的射頻發(fā)射、提高系統(tǒng)的性能、控制信號(hào)線阻抗、減小接地阻抗，該電路采用8層板設(shè)計(jì)：4個(gè)信號(hào)層、兩個(gè)地層、兩個(gè)電源層。板層設(shè)置如圖9所示，2層、3層主要走電流信號(hào)，1層、4層走高電壓信號(hào)。PCB布線時(shí)通過(guò)蛇形線控制差分信號(hào)線，使其阻抗相等。

圖9 PCB板層設(shè)置

3.2.3 放大器輸入保護(hù)

為了保證-轉(zhuǎn)換精度，必須選擇低偏置電流的運(yùn)放，為了充分利用這些器件，需要注意布線和電路的裝配，特別是PCB板上的漏電流。在信號(hào)輸入管腳采用環(huán)繞輸入保護(hù)環(huán)可以顯著削弱漏電流的影響，同時(shí)也可以屏蔽干擾。

3.3 屏蔽、接地

屏蔽和接地是抑制電磁干擾的有效措施。要取得良好的效果，必須將屏蔽體合理接地。

1) 屏蔽是利用屏蔽體阻止或衰減電磁波的傳輸，是抑制輻射干擾的有效辦法。為了滿足電磁兼容要求，需選用導(dǎo)電性能良好、高磁導(dǎo)率的材料。在診斷系統(tǒng)中，各個(gè)模塊比較分散，要想實(shí)現(xiàn)啞鈴模式屏蔽不太現(xiàn)實(shí)。只能通過(guò)分段屏蔽，對(duì)探測(cè)器、信號(hào)傳輸線和信號(hào)處理電路等關(guān)鍵部件進(jìn)行單獨(dú)屏蔽，然后通過(guò)合理的接地方式達(dá)到系統(tǒng)抗干擾目的。

2) 接地基于三個(gè)目的：一是減少多個(gè)回路電流通過(guò)公共阻抗產(chǎn)生壓差；二是縮減信號(hào)回路感應(yīng)磁場(chǎng)噪聲的感應(yīng)面積；三是消除地電位差對(duì)信號(hào)回路的不利影響。其接法有三種基本形式：浮地、單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。由于浮地接法很容易產(chǎn)生靜電累積及引入干擾信號(hào)；多點(diǎn)接地適用于高頻電路(>10MHz)，故不適用于本系統(tǒng)；單點(diǎn)接地能夠消除公共阻抗耦合及低頻地環(huán)路，在0?1 MHz內(nèi)干擾很小，適合本系統(tǒng)。單點(diǎn)接地又分為串聯(lián)單點(diǎn)接地（圖10(a)）和并聯(lián)單點(diǎn)接地（圖10(b)）。串聯(lián)單點(diǎn)接地：共用地線串聯(lián)一點(diǎn)接地，布線方便，但當(dāng)電路中（各部分）電流較大或公共阻抗較大時(shí)，各部分間的地電位差較大，容易形成共地干擾，對(duì)于弱信號(hào)檢測(cè)，不能使用這種接地方式。并聯(lián)單點(diǎn)接地：獨(dú)立地線并聯(lián)一點(diǎn)接地，這種接地方式各電路的地電位只與本電路的地電流及地線阻抗有關(guān)，不會(huì)產(chǎn)生公共阻抗干擾，非常適用于低頻電路。綜合考慮，本系統(tǒng)采用并聯(lián)單點(diǎn)接地方式。

圖10 串聯(lián)(a)和并聯(lián)(b)單點(diǎn)接地

3.3.1 屏蔽線的選擇

ITER實(shí)驗(yàn)中，待檢測(cè)信號(hào)與檢測(cè)系統(tǒng)之間相距較遠(yuǎn)，系統(tǒng)與系統(tǒng)間信號(hào)傳遞主要靠傳輸線來(lái)完成，選擇傳輸線變得尤為重要。常用的屏蔽線纜有：屏蔽雙絞線和同軸電纜。在實(shí)驗(yàn)室中分別對(duì)20 m長(zhǎng)的同軸電纜和屏蔽雙絞線進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如圖11所示。

圖11 傳輸線隨頻率對(duì)信號(hào)的衰減

通過(guò)對(duì)比兩種線對(duì)信號(hào)傳輸衰減與頻率的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，屏蔽雙絞線呈現(xiàn)低通特性，頻率的拐點(diǎn)與傳輸線的長(zhǎng)度有關(guān)。屏蔽雙絞線在0?200 kHz內(nèi)使用非常有效。主要是因?yàn)樵诟哳l下特性阻抗不均勻及由此造成的波形反射。放大電路信號(hào)為差分形式，故采用屏蔽雙絞線傳輸信號(hào)。噪聲電流在屏蔽層里流動(dòng)，消除了公共阻抗的耦合干擾。

3.3.2 系統(tǒng)接地

系統(tǒng)接地包括數(shù)據(jù)線的屏蔽層接地、探測(cè)器屏蔽盒的接地、電路板屏蔽箱的接地。圖12為系統(tǒng)接地示意圖。探測(cè)器、放大器電路都有自己獨(dú)立的屏蔽體，信號(hào)傳輸線分為三段：cable 1段的屏蔽層前端與探測(cè)器屏蔽盒相連，另一端通過(guò)導(dǎo)線連接到放大器機(jī)箱外殼（信號(hào)地）；cable 2段的屏蔽層在放大器的輸入端與信號(hào)地相連；cable 3段連接放大器與采集系統(tǒng)，信號(hào)為差分傳輸，為了防止形成地回路，屏蔽層在采集端接地。整套系統(tǒng)放大器機(jī)箱和采集機(jī)箱并聯(lián)單點(diǎn)接地，防止地回路阻抗引起干擾。

4 測(cè)試結(jié)果

按照上述的設(shè)計(jì)方案，在EAST上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)對(duì)比采集的炮號(hào)數(shù)據(jù)：47610中本方案與原有方案波形如圖13所示，通過(guò)比較可以看出本方案信號(hào)的干擾明顯被降低，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的有效性。

圖13 EAST測(cè)試波形圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)軟X射線檢測(cè)放大系統(tǒng)采取屏蔽、接地等防護(hù)措施及PCB布線等，有效地抑制了電磁干擾、地噪聲干擾、高頻噪聲干擾。使系統(tǒng)信號(hào)干擾降至8 mV，放大電路的增益提高到10V?A；采集通道采用32路集成設(shè)計(jì)，滿足了軟X射線診斷系統(tǒng)對(duì)采集通道數(shù)量的要求。該系統(tǒng)在EAST上測(cè)試運(yùn)行穩(wěn)定、干擾小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電磁防護(hù)措施合理，且效果顯著。

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12 王林森, 湯倫軍, 何詩(shī)英, 等. EAST極向場(chǎng)電源控制系統(tǒng)EMC屏蔽設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 電力電子技術(shù), 2012, 46(11): 95?97.WANG Linsen, TANG Lunjun, HE Shiying,. The shielding design and application of EAST poloidal power supply for EMC[J]. Power Electronics, 2012, 46(11): 95?97.

ITER detection system of soft X-ray and electro-magnetic compatibility design

ZHANG ShengZHAO JinlongHU LiqunCHEN YebinSHENG Xiuli

1(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China) 2(University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Background: The primary diagnostic role of radial X-ray camera (RXC) includes measuring low (,) magnetohydrodynamic modes, sawteeth and disruption precursors, H-mode, edge-localized modes, and L-H transition. Purpose:According to the soft X-ray weak signal detection requirements of international thermonuclear experimental reactor (ITER) tokamak, considering the harsh electro-magnetic environment and long distance transmission of signal, some appropriate electromagnetic protection measurements must be took in the design of soft X-ray diagnosis system in order to suppress circuit noise. Methods:In this thesis, a differential circuit structure has been designed to accomplish current-to-voltage conversion, and studying the electro-magnetic compatibility is the point. Results:Associated with experimental test and complied with three factors of electro-magnetic interference, the paper has discussed the application of shielding, grounding, filtering, and printed circuit board (PCB) layout methods in circuit, and completed the circuit requirements of system miniaturization, high parameters with quantity of 32 channels per PCB board, gain of 10V?A, width of 120 kHz, and noise of 8 mV. Conclusion:The effective detection of weak current signal and steady performance are proved by test results. The effect of electromagnetic protective measurements adopted is reasonable and obvious.

Soft X-ray detection, Electromagnetic compatibility, Low-pass filter, PCB anti-interference

TU856，TL62

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.080401

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.11261140328)、等離子體物理領(lǐng)域前瞻性課題(No.JSPS-NRF-NSFCA3)資助

張勝, 男，1980年出生，2009年于合肥工業(yè)大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為博士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)樾⌒盘?hào)檢測(cè)及電磁兼容設(shè)計(jì)

陳曄斌，E-mail: chenyebin@ipp.ac.cn

2017-01-20，

2017-04-11

National Natural Science Foundation of China (No.11261140328), Plasma Physics Prospective Subjects (No.JSPS-NRF-NSFCA3)

ZHANG Sheng, male, born in1980, graduated from HeFei University of Technology with a master’s degree in 2009, doctoral student,focusing on weak signal detection and electromagnetic compatibility design

CHEN Yebin, E-mail: chenyebin@ipp.ac.cn

2017-01-20, accepted date: 2017-04-11